轨道交通车辆抗侧滚结构形式的选型分析

（中车长春轨道客车股份有限公司转向架研发部，130062，长春∥第一作者，高级工程师）

轨道交通车辆抗侧滚结构形式的选型分析

梁 云 李文学 王云朋

（中车长春轨道客车股份有限公司转向架研发部，130062，长春∥第一作者，高级工程师）

介绍了抗侧滚刚度对轨道交通车辆性能的影响。通过对车辆的控制方式、抵抗侧风能力、动力学性能和柔度系数4个方面的分析研究来确定轨道交通车辆的抗侧滚结构形式，为车辆抗侧滚结构形式的选择提供了理论依据。研究表明：当车辆采用两点控制时必须设置抗侧滚扭杆来提高车辆的抗侧滚能力；当车辆采用四点控制时可考虑增大空气弹簧的跨距和设置抗侧滚扭杆来提高车辆的抗侧滚能力。

轨道交通车辆；抗侧滚结构；抗侧滚刚度

Author′saddressCRRC Changchun Railway Vehicles Co．，Ltd．，130062，Changchun，China

由于空气弹簧具有垂向刚度小、当量挠度大，以及良好的隔音和吸收高频振动的性能，能有效提高车辆的乘坐舒适性，因此在车辆悬挂装置中得到了广泛应用。可是，由于空气弹簧垂向刚度小，在车辆运行中会导致车体的侧滚角度增加，使得车辆侧滚刚度较小，甚至出现侧滚失稳的现象，造成车辆运行安全性能降低，所以需要另外增加车辆的侧滚刚度以限制其侧滚角度，从而改善车辆的抗侧滚性能，但同时又不能影响车辆的浮沉、横摆、伸缩、点头和摇头等方面的性能。

1 抗侧滚刚度对车辆性能影响

车辆抗侧滚刚度对车辆抵抗侧风能力、车辆动力学性能和柔度系数都会产生影响。

随着地铁和轻轨车辆运行线路和区域的增多，列车的运行环境也越来越恶劣，列车受空气动力学的影响越来越突出，尤其是横风效应，如高架桥、路堤、都市楼宇间的风口地带等均具有特殊的风环境，所以有必要提高车辆的抗侧滚性能以保证车辆运行的安全性。车辆的抗侧风能力直接关系列车运行安全，轻者会影响列车乘坐的舒适性，造成列车横向失稳，重者将导致列车的倾覆或者脱轨事故。

在研究和分析轨道交通车辆动力学性能时，应充分考虑抗侧滚刚度对轨道交通车辆在各种典型运行状态下的动力学性能（包括运动稳定性、运行平稳性和运行安全性）产生的影响。

国际铁路联盟UIC 505－5标准规定客车的柔度系数S不得大于0．4，欧洲和国内动车组要求S不得大于0．28。实际上控制S与控制侧滚角是一样的，控制S除了对车辆限界有意义外，主要也是对车辆曲线通过的舒适性有意义。

2 抗侧滚结构形式选择

目前国内外主要通过以下两种形式提高车辆的抗侧滚能力。

（1）增大中央悬挂装置中空气弹簧的横向跨距，以增大其角刚度，从而增强车辆的抗侧滚性能。

（2）在转向架和车体间安装抗侧滚扭杆装置。抗侧滚扭杆装置是一种利用金属弹性杆在受扭矩作用时产生扭转变形而提供抗扭转反力矩的弹簧装置。

2．1 增大空气弹簧横向跨距

增大空气弹簧横向跨距即增大转向架中央悬挂装置中空气弹簧的横向间距。以标准轨距转向架为例，日本新干线高速客车转向架采用无摇动台的空气弹簧装置，空气弹簧横向间距为2 500mm（多数标准轨距转向架的空气弹簧横向跨距为1 900～2 000mm）；德国MD型高速客车转向架中央悬挂装置采用有摇动台的钢弹簧，弹簧横向间距为2 580 mm，为外侧悬挂形式。这些转向架均能满足列车高速运行需求。

增大空气弹簧横向跨距的前提条件是车体结构具有足够的外廓尺寸。例如，日本新干线车体宽度为3 300～3 400mm，比中国和欧洲许多国家的车体宽300mm之多，即使采用空气弹簧直接支撑于车体底架之下，转向架仍有条件采用外侧悬挂形式，使空气弹簧横向间距达2 500mm。由于大的横向间距能使转向架左右空气弹簧的角刚度明显增大，保证了抗侧滚性能，所以可不再设置抗侧滚扭杆装置。

2．2 设置抗侧滚扭杆

抗侧滚扭杆装置安装于车体和转向架之间，利用金属弹性杆受扭矩作产生变形而提供抗扭转反力矩。通常扭杆支撑座安装于构架上，连杆两端为橡胶球铰或金属关节轴承，可在3个方向转动。当车体相对于转向架浮沉振动时，两根连杆同时往一个方向运动，整个装置绕支撑球铰同时转动，扭杆并不承受载荷，故不影响车体的浮沉振动，对除侧滚以外的其它几个运动同样不提供任何附加力或扭矩。而当车体与构架之间发生侧滚时，左右连杆向相反方向上下运动，通过扭转臂使扭杆发生扭转变形，扭杆由于弹性而产生反力矩；反力矩作用在垂向连杆上表现为一对大小相等方向相反的垂向力，而这对垂向力作用在车体上就形成了与车体侧滚方向相反的抗侧滚力矩，阻止车体相对于转向架侧滚。抗侧滚扭杆装置动作原理如图1所示。

图1 抗侧滚扭杆装置动作原理图

2．3 两种抗侧滚形式对比

2．3．1 车辆性能

两种抗侧滚形式都能提供抗侧滚刚度。加大空气弹簧横向跨距形式受车辆结构和空间限制，能够提供的抗侧滚刚度有限，而抗侧滚扭杆形式不受这方面的限制。另外，加大空气弹簧横向跨距后会对车辆的回转刚度和摇头运动产生影响，无法单独解耦，而设置抗侧滚扭杆装置则没有这方面的问题，抗侧滚扭杆刚度变化不会对车辆其他性能产生影响。

2．3．2 空气弹簧控制

空气弹簧需要通过高度调整阀（以下简称“高度阀”）来控制其高度。高度阀的工作原理是通过车体与构架之间的相对高度变化来控制高度阀充、排气阀口的开闭，从而实现空气弹簧的充气和排气过程。高度阀的作用就是使空气弹簧在不同载荷工况下均保持相同高度，从而使车体地板面在不同载荷下均保持在相同高度。目前，轨道交通车辆空气弹簧供风系统的控制方式有3种，即两点控制、三点控制和四点控制，其中三点控制方式在轨道交通车辆上的应用较少，本文不讨论。

采用两点控制的车辆，在进出曲线时车体相对于转向架发生侧滚运动，由于两空气弹簧共用一个高度阀，且高度阀调整杆通常设置在车辆纵向中心线上，车体发生侧滚运动后，纵向中心处车体和构架相对位置保持不变，高度阀不动作，空气弹簧不能为车辆提供抗侧滚刚度。

采用四点控制的车辆，进出曲线时车辆产生侧滚，空气弹簧高度发生变化，由高度阀控制空气弹簧将分别进行一次充气和排气过程。由于空气弹簧充、排气完成后具有一定的抗侧滚刚度，因此可以提高车辆的抗侧滚能力。

因此，当车辆采用两点控制时，必须设置抗侧滚扭杆来提高车辆的抗侧滚能力。当车辆采用四点控制时，可以考虑增大空气弹簧横向跨距和设置抗侧滚扭杆两种结构形式。

2．3．3 车辆运用维护

在车辆运用过程中，由于使用环境恶劣，极易出现扭杆表面被击伤进而发生裂纹的情况。据某车辆段2012年8月—10月统计，在轨道交通客运车辆进行的A2级、A3级修程中共发现扭杆裂纹26件，占所检修扭杆总数的24．1%。另外，部分车辆抗侧滚扭杆装置结构复杂，部分连接件拆卸困难，直接影响到其他部件的试验和检修，有时只能对其进行破坏性分解。

在满足车辆限界要求和安全性的前提下，增大空气弹簧横向跨距形式比设置抗侧滚扭杆形式明显减少了转向架的零部件数量，降低了车辆设计成本，简化了转向架的结构形式，降低了车辆运用维护成本和检修工作量。

3 抗侧滚结构选型分析

某地铁运行线路全长33km，其中地下线路长30km，高架线路（含过江大桥）长3km。车辆宽度3 000mm，二系悬挂为空气弹簧，采用四点控制，横向跨距为2 050mm或2 210mm。

3．1 抗侧滚刚度对抵抗侧风能力的影响

3．1．1稳态侧风工况

计算条件为车速100km／h，6～9级稳态风。检验车辆的运行安全性、车体运动姿态等指标。

通过仿真分析可知，在稳态横风作用下，随着扭杆刚度增大，轮轴横向力、轮重减载率、脱轨系数均逐渐减低（见图2、图3），选取适当的扭杆刚度有利于提高侧风下的抗脱轨能力。

图2 稳态侧风下扭杆刚度对轮轴横向力和减载率的影响

图3 稳态侧风下扭杆刚度对脱轨系数的影响

3．1．2 瞬态风工况

瞬态风的波形是根据我国线路实测风压波形而设定的。

（1）运行安全性：瞬态风下扭杆刚度对轮轴横向力、减载率、脱轨系数的仿真分析如图4、图5所示。通过仿真分析可知，在瞬态风作用下随着扭杆刚度增大，轮重减载和脱轨系数略增大；在计算工况下，各安全性指标均满足标准要求。

图4 瞬态风下扭杆刚度对轮轴横向力和轮重减载率的影响

图5 瞬态风下扭杆刚度对脱轨系数的影响

（2）运动姿态：通过仿真分析可知，在瞬态风作用下随着扭杆刚度增大，车体侧滚角明显降低见（图6）。

3．2 抗侧扭杆刚度对动力学性能的影响

轨道交通车辆运行速度为100km／h，通过优化计算选择了曲线半径R＝800m、超高h＝65mm、速度v＝100km／h，轨道不平顺激扰为美国五级线路谱，其中曲线安全性指标选取导向轮一位轮对外侧作为考察对象。不同抗侧滚刚度对车辆动力学性能的影响如图7所示。

图6 瞬态风下扭杆刚度对车体侧滚角的影响

图7 不同抗侧滚刚度对车辆动力学性能的影响

从图7可以看出，抗侧滚刚度对车辆运行稳定性、平稳性、曲线通过性能均影响不大；轮重减载率随着抗侧滚刚度的增大逐渐增加，说明侧滚扭杆在一定程度上会恶化曲线通过性能。

3．3 抗侧滚扭杆刚度对柔度系数的影响

由图8、图9可知：当空气弹簧跨距为2 050mm且扭杆刚度大于0．1MN·m／rad时，柔度系数满足小于0．4的要求；当跨距为2 210mm时不设置扭杆可满足柔度系数要求。

图8 抗侧滚扭杆刚度对车辆柔度系数的影响（空气弹簧跨度为2 050mm）

该地铁车辆为四点控制形式，车辆具备加宽空气弹簧横向跨距的条件。综合上述分析，该地铁车辆通过加宽空气弹簧横向跨距的方式可以满足车辆安全运行的要求。

图9 抗侧滚扭杆刚度对车辆柔度系数的影响（空气弹簧跨度为2 210mm）

4 结论

（1）当车辆采用两点控制时，必须设置抗侧滚扭杆来提高车辆的抗侧滚能力。

（2）当车辆采用四点控制时，可以考虑增大空气弹簧横向跨距和设置抗侧滚扭杆两种结构形式。

（3）在车辆限界、车体结构与外廓尺寸允许的前提下，依靠增大空气弹簧的横向跨距来提高车辆的侧滚角刚度不失为一种理想的选择，因为它简化了转向架的结构，对改善车辆动力学性能也是有利的。

［1］ 严隽耄．车辆工程［M］．2版．北京：中国铁道出版社，1999．

［2］ 池茂儒，张卫华，曾京，等．高速客车转向架悬挂参数分析［J］．大连交通大学学报，2007（3）：13．

Type Selection of Anti－roll Structural Forms for Rail Transit Vehicle

LIANG Yun，LI Wenxue，WANG Yunpeng

The influences of anti－roll stiffness on the capacity of rail transit vehicle are introduced．Theoretical basis for the type selection of anti－roll structural forms for rail transit vehicle is provided through an analysis from4 aspects：the control ways，the capacity of resistance to side wind，the dynamics performance and the flexibility coefficient．The research confirms that in two－point control mode，the antiroll torsion bar must be installed，while in four－point control mode，the air spring span must be increased and the anti－roll torsion bar be installed to enhance the anti－roll capacity．

rail transit vehicles；anti－roll structure；antiroll stiffness

U270．33

10．16037／j．1007－869x．2017．02．004

2016－09－01）